7化工設(shè)備設(shè)計概述

1、1第二篇 化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ) 7 概 述2 7 概 述3 7 概 述（續(xù)）4 7 概 述（續(xù)）7.1 容器的結(jié)構(gòu)與分類5 7 概 述（續(xù)）1、容器的結(jié)構(gòu)反應(yīng)設(shè)備、換熱設(shè)備、分離設(shè)備和儲運設(shè)備（1）反應(yīng)設(shè)備用來完成介質(zhì)物理、化學(xué)反應(yīng)。如反應(yīng)器、發(fā)生器、反應(yīng)釜、聚合釜、分解塔、合成塔、交換爐等。 6 7 概 述（續(xù)）（2）換熱設(shè)備用來完成介質(zhì)的熱量交換。如熱交換器、加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、廢熱鍋爐等。管殼式換熱器7 7 概 述（續(xù)）（3）分離設(shè)備完成介質(zhì)的流體壓力平衡和氣體凈化分離等。如分離器、過濾器、緩沖器、洗滌器、吸收塔、干燥塔等。吸收塔8 7 概 述（續(xù)）（4）儲運設(shè)備盛裝生活和生產(chǎn)用的原料氣

2、體、液體、液化氣等。如各種儲罐、儲槽、高位槽、計量槽、槽車等。球 罐 9容 器設(shè)備外部殼體的總稱，凡含有壓力介質(zhì)的 封閉容器都被稱做壓力容器。 7 概 述（續(xù)）1-法蘭 2-支座 3-封頭拼接焊縫 4-封頭 5-環(huán)焊縫 6-補強圈7-人孔 8-縱焊縫 9-筒體 10-壓力表 11-安全閥 12-液面計10 7 概 述（續(xù)）11 7 概 述（續(xù)）2、容器的分類 （1）按容器形狀分類方形和矩形容器平板焊成，制造簡單，承壓能力差，只用作常壓或低壓小型貯槽。球形容器由數(shù)塊弓形板拼焊而成，承壓能力好，但由于安裝內(nèi)件不便和制造稍難，一般多用作儲罐。圓筒形容器由圓柱形筒體和各種回轉(zhuǎn)形成形封頭（半球形、橢球形

3、、蝶形、圓錐形等）或平板形封頭所組成。作為容器主體的圓柱形筒體，制造容易，安裝內(nèi)件方便，而且承壓能力較好，應(yīng)用最廣。12 7 概 述（續(xù)）圖 赤道正切柱式支承單層殼球罐1-球殼；2-液位計導(dǎo)管；3-避雷針；4-安全泄放閥；5-操作平臺；6-盤梯；7-噴淋水管；8-支柱；9-拉桿13 7 概 述（續(xù)）外直徑與內(nèi)直徑的比值 (Do/Di)max1.1-1.2薄壁圓柱殼或薄壁圓筒厚壁圓柱殼或厚壁圓筒外直徑與內(nèi)直徑的比值 (Do/Di)max 1.1-1.2（2）按容器的厚度分類薄壁容器和厚壁容器（D0容器外徑，Di容器內(nèi)徑，容器厚度）14 7 概 述（續(xù)）（3）按承壓性質(zhì)和能力分類承壓方式內(nèi)壓容器外

4、壓容器當容器的內(nèi)壓力小于一個絕對大氣壓（約0.1MPa）時又稱為真空容器中壓(M)容器 1.6 MPap10.0 MPa高壓(H)容器 10 MPap100 MPa超高壓(U)容器 p100MPa低壓(L)容器 0.1 MPap1.6 MPa按照設(shè)計壓力P15 7 概 述（續(xù)）（4）按壁溫分類常溫容器壁溫在 -20200條件下工作的容器。高溫容器指壁溫達到材料蠕變溫度的容器，對碳素鋼、低合金鋼 T420，其他合金鋼T450，奧氏體不銹鋼T550，均屬高溫容器。中溫容器在常溫和高溫之間。低溫容器壁溫低于-20，其中 -20-40 為淺冷容器，-40為深冷容器。16 7 概 述（續(xù)）（5）按支承形

5、式分類 臥式容器和立式容器。（6）按結(jié)構(gòu)材料分類有金屬制的和非金屬制的兩類。金屬應(yīng)用最多的是低碳鋼和低合金鋼。 非金屬材料既可作容器襯里，又可作獨立構(gòu)件。常用的有硬聚乙烯、玻璃鋼、不銹鋼石墨、化工搪瓷、化工陶瓷、磚、板、花崗巖、橡膠襯里等。 17 7 概 述（續(xù)）（7）按安全技術(shù)管理分類三類容器第一類壓力容器第三類壓力容器壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程將容器分為三類： （1）壓力（ P ） （2）壓力與容積的乘積（PV） （3）介質(zhì)危害程度 （4）容器的作用第二類壓力容器分類依據(jù)18 7 概 述（續(xù)） 第三類壓力容器具有下列情況之一的，為第三類壓力容器:a高壓容器；b中壓容器（僅限毒性程度為極度和高

6、度危害介質(zhì)）；c中壓儲存容器（僅限易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)，且pV乘積大于等于10MPam3）；d. 中壓反應(yīng)容器（僅限易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)，且pV乘積大于等于0.5MPam3）；19 7 概 述（續(xù)）f高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；g中壓搪玻璃壓力容器；h使用強度級別較高的材料制造的壓力容器；（指相應(yīng)標準中抗拉強度規(guī)定值下限540MPa）e低壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)，且pV乘積大于等于0.2MPam3）；20 7 概 述（續(xù)）j球形儲罐（容積大于等于50m3）k. 低溫液體儲存容器（容積大于5m3）i移動式壓力容器鐵路罐車（介質(zhì)為液化氣體、低溫液體）罐式汽車液化氣體運

7、輸（半掛）車、低溫液體運輸（半掛）車、永久氣體運輸（半掛）車罐式集裝箱（介質(zhì)為液化氣體、低溫液體等）21 7 概 述（續(xù)） 第二類壓力容器具有下列情況之一的，為第二類壓力容器:a中壓容器；b低壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)）；d低壓管殼式余熱鍋爐；e低壓搪玻璃壓力容器。c低壓反應(yīng)容器和低壓儲存容器 （僅限易燃介質(zhì)或毒性程度為中度危害介質(zhì)）；22 7 概 述（續(xù)） 第一類壓力容器除上述規(guī)定以外的低壓容器為第一類壓力容器。23 7 概 述（續(xù)）24 7 概 述（續(xù)）7.2 容器機械設(shè)計的基本要求 容器的總體尺寸（例如反應(yīng)釜釜體容積的大小，釜體長度與直徑的比例，傳熱方式及傳熱面積的大??；又

8、如蒸餾塔的直徑與高度，接口管的數(shù)目，方位及尺寸等），一般是根據(jù)工藝生產(chǎn)要求，通過化工工藝計算和生產(chǎn)經(jīng)驗決定的。這些尺寸通常稱為設(shè)備的工藝尺寸。25 7 概 述（續(xù)） 當設(shè)備的工藝尺寸初步確定之后，可進行結(jié)構(gòu)、強度設(shè)計，設(shè)計時應(yīng)滿足：1、強度不發(fā)生破壞如焊縫開裂，筒體爆破，螺栓拉斷等。2、剛度不發(fā)生過大變形如塔體傾斜，塔盤下凹等。3、穩(wěn)定性不發(fā)生癟塌或褶皺如臥式容器支座之間的筒體發(fā)生癟塌，氣柜抽負癟塌，塔體支座在起吊時發(fā)生癟塌等。26 7 概 述（續(xù)）4、耐久性保證使用壽命一般化工設(shè)備設(shè)計使用壽命為1015年。高壓容器，因制造成本較高，為2025年。大多取決于腐蝕情況，有些取決于疲勞、蠕變或振動

9、。5、密封性包括內(nèi)漏和外漏27 7 概 述（續(xù)） 6、節(jié)省材料，便于制造盡可能降低材料消耗。尤其是貴重材料的消耗，在考慮結(jié)構(gòu)時應(yīng)使其便于制造，保證質(zhì)量。應(yīng)盡量減少或避免復(fù)雜的加工工序，盡量減少加工量。在設(shè)計時應(yīng)盡量采用標準設(shè)計和標準零部件。 7、方便操作和便于運輸化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮操作方便，及安裝、維護、檢修方便（人孔、手孔位置）。在化工設(shè)備的尺寸和形狀上還應(yīng)考慮到運輸?shù)姆奖愫涂赡苄浴?8 7 概 述（續(xù)）壓力容器設(shè)計要求 剛度穩(wěn)定性節(jié)省材料便于制造方便操作 便于運輸耐久性密封性強度29 7 概 述（續(xù)）7.3容器的標準化設(shè)計1、 標準化的意義（1）從產(chǎn)品的設(shè)計、制造、檢驗和維修等諸多方面來

10、看，標準化是組織現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要手段。a）實現(xiàn)標準化，有利于成批生產(chǎn)，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，從而提高產(chǎn)品競爭能力；b）實現(xiàn)標準化，可以增加零部件的互換性，有利于設(shè)計、制造、安裝和維修，提高勞動生產(chǎn)率。30 7 概 述（續(xù)）（2）標準化為組織專業(yè)化生產(chǎn)提供了有利條件，有利于合理地利用國家資源，節(jié)省原材料，能夠有效地保障人民的安全與健康。（3）采用國際性的標準化，可以消除貿(mào)易障礙，提高國際競爭能力。31 7 概 述（續(xù)）2、容器零部件標準化的基本參數(shù)壓力容器的直徑和操作壓力是由工藝條件確定。壓力容器及其零部件標準化的基本參數(shù) 公稱直徑（又稱公稱通徑）DN 公稱壓力 PN。32 7

11、概 述（續(xù)）公稱直徑，也稱為公稱通徑，用“DN”表示為使用方便將容器及管子標準化以后的標準直徑對用鋼板卷制的圓筒公稱直徑指其內(nèi)徑對用無縫鋼管制作的圓筒公稱直徑指鋼管外徑對管法蘭公稱直徑指與其相連接的管子的名義直徑，也就是管件的公稱通徑，它既不是管子的內(nèi)徑，也不是管子的外徑，而是接近內(nèi)外徑的某個整數(shù)。 壓力容器法蘭的公稱直徑指與法蘭相配套的容器或封頭的公稱直徑。33 7 概 述（續(xù)）34 7 概 述（續(xù)）4分、6分、1寸是英制說法即英寸。 普通4分管12-管內(nèi)徑15mm；外徑21.3mm ，壁厚2.75mm 普通6分管34-管內(nèi)徑20mm ;外徑26.8mm，壁厚2.75mm 普通1吋管1-管內(nèi)

12、徑25.4mm；外徑33.5mm，壁厚3.25mm 壁厚誤差+12%；-15%，外徑偏差正負0.5mm35 7 概 述（續(xù)）法蘭的公稱壓力指某種材料制造的法蘭，在一定的溫度下所能承受的最大工作壓力，用“PN”表示，是法蘭承載能力的標志。壓力容器法蘭的公稱壓力是指在規(guī)定的螺栓材料和墊片的基礎(chǔ)上，16MnR材料制造的法蘭，在200時所允許的最大工作壓力。36 7 概 述（續(xù)）7.4 化工容器常用金屬材料的基本性能 化學(xué)工業(yè)是多品種的基礎(chǔ)工業(yè)，為了適應(yīng)化工生產(chǎn)的多種需要，化工設(shè)備的種類很多，設(shè)備的操作條件也比較復(fù)雜。 按操作壓力，有真空、常壓、低壓、中壓、高壓和超高壓； 按操作溫度，有低溫、常溫、中

13、溫和高溫； 處理的介質(zhì)大多數(shù)具有腐蝕性，或為易燃、易爆、劇毒等。 對于某種具體設(shè)備來說，往往既有溫度、壓力要求，又有耐腐蝕要求，而且這些要求有時還是互相矛盾的，有時某些條件又經(jīng)常變化。 37 7 概 述（續(xù)）選擇材料的一般要求：（1）供貨情況好（如符合中國資源和供應(yīng)情況）較易獲得；（2）材質(zhì)穩(wěn)定性好，能保證使用壽命；（3）要有足夠的強度、一定的塑性和韌性，對腐蝕性強介質(zhì)能耐腐蝕，且須滿足不同使用場合的特殊要求；（4）便于制造加工，焊接性能良好；（5）經(jīng)濟上合算。38 7 概 述（續(xù)）1、力學(xué)性能材料在一定溫度條件和外力作用下，抵抗變形和斷裂的能力稱為材料的力學(xué)性能。 壓力容器用材料的常規(guī)力學(xué)性

14、能指標主要包括強度、硬度、塑性、剛性和沖擊韌性等。 39 7 概 述（續(xù)）（1）強度 固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特征。常用的強度指標屈服極限 S （或0.2）和強度極限 b ，在交變載荷作用下的持久極限r(nóng)，這是容器設(shè)計計算中用以確定需用應(yīng)力的主要依據(jù)。40 7 概 述（續(xù)）屈強比屈服極限S與強度極限b之比，反映材料屈服后強化能力的高低。 屈強比愈低表示屈服后仍有較大的強度裕量，高強度鋼的屈強比數(shù)值較高，可達0.8 以上，而低強度鋼的屈強比可低到0.6 以下。持久強度指鋼材在設(shè)計溫度下經(jīng)10 萬小時斷裂的持久強度的平均值。41 7 概 述（續(xù)）延伸率：試樣在拉斷后的總伸長量與試

15、件原長之比值的百分率。標距是直徑的5倍5和10倍10。斷面收縮率：試樣在拉斷后的斷口面積的縮小同原斷面面積之比的百分率。（2） 塑性金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。常用的塑性指標：斷后伸長率和斷面收縮率。表明鋼材被拉斷時的拉長程度表明鋼材被拉斷時的拉細程度42 7 概 述（續(xù)）（3）韌性材料對缺口或裂紋敏感程度的反映。韌性好的材料即使存在宏觀裂紋或缺口而造成應(yīng)力集中時，也具有相當好的防止發(fā)生脆性斷裂和裂紋快速失穩(wěn)擴展的能力。常用韌性指標：沖擊韌性、脆性轉(zhuǎn)變溫度、斷裂韌性43 7 概 述（續(xù)）沖擊韌性衡量材料韌性的指標之一，可用帶V 形缺口的沖擊試樣在沖擊試驗機中所吸收的能量k 作

16、為沖擊韌性值，其單位為焦耳每平方米（J/m2）。（標準一般直接采用沖擊功AKV,而較少采用k值。） 44 7 概 述（續(xù)）脆性轉(zhuǎn)變溫度沖擊韌性k數(shù)值隨溫度降低而減小，在某一溫度區(qū)間內(nèi)k數(shù)值突然明顯下降，材料變脆，當脆性斷裂占總面積50%所對應(yīng)的溫度為脆性轉(zhuǎn)變溫度。斷裂韌性含裂紋構(gòu)件抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。可用裂紋失穩(wěn)擴展從而導(dǎo)致斷裂時的應(yīng)力強度因子臨界值 KIC 表示。該斷裂韌性值可以衡量材料的韌性情況，即可以看出存在裂紋時材料所具有的防脆斷能力。 45 7 概 述（續(xù)）（4）硬度鋼材抵抗壓入物壓陷的能力。布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC） 、維氏硬度（HV） 、肖氏硬度（H

17、S） 、顯微硬度等。表征材料表面局部區(qū)域抵抗壓縮變形和斷裂能力硬度是反映材料的彈性、塑性、強度和韌性等的一種綜合性能指標。 46 7 概 述（續(xù)）布氏硬度以直徑為D（10mm，5mm 或2.5mm）的鋼球，在壓力F（N）下壓入金屬表面而測得。 大部分金屬硬度和強度之間有一定的關(guān)系，因而可用硬度近似地估計抗拉強度值。根據(jù)經(jīng)驗，其關(guān)系為： 低碳鋼 b 0.36HBS 高碳鋼 b 0.34HBS 灰鑄鐵 b 0.1HBS 47 7 概 述（續(xù)）（5）材料在高溫下的力學(xué)性能 一般金屬材料的力學(xué)性能 隨溫度的升高會發(fā)生顯著的變 化。通常是隨著溫度的升高， 金屬的強度降低，塑性提高。48 7 概 述（續(xù)）

18、 蠕變在高溫時，在一定的應(yīng)力下，應(yīng)變隨時間而增加的現(xiàn)象；或者金屬在高溫和應(yīng)力作用下逐漸產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。 蠕變極限n ：反映材料高溫下的變形問題。在一定溫度下，產(chǎn)生10-7mm/mm.hr蠕變速度的應(yīng)力值。即在該溫度下經(jīng)過10萬小時（約12年）產(chǎn)生1%總變形的應(yīng)力值。 持久極限D(zhuǎn) ：反映材料高溫下的斷裂性能。在一定溫度下，經(jīng)過規(guī)定的工作期限（10萬小時）后產(chǎn)生斷裂時的應(yīng)力值。49 7 概 述（續(xù)）2、物理性能金屬材料的物理性能有相對密度、熔點、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)電性等。使用時可查有關(guān)手冊。50 7 概 述（續(xù)）3、化學(xué)性能材料在所處介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性，即材料是否會與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)而引起腐蝕。 （1）耐腐蝕性 金屬和合金對周圍介質(zhì)（如大氣、水、土壤、各種電解液）侵蝕的抵抗能力。用腐蝕速度來表示，一般認為，介質(zhì)對材料的腐蝕速度0.